Новый материал может быть двумя сверхпроводниками в одном

Физики из Массачусетского технологического института продемонстрировали экзотическую форму сверхпроводимости в новом материале, синтезированном командой всего около года назад. Хотя этот тип сверхпроводимости предсказывался в 1960-х годах, до сих пор было трудно стабилизировать этот тип сверхпроводимости. Кроме того, ученые обнаружили, что одним и тем же материалом потенциально можно манипулировать для проявления еще одной, столь же экзотической формы сверхпроводимости.

Демонстрация сверхпроводимости с конечным импульсом в слоистом кристалле, известном как естественная сверхрешетка, означает, что материал можно настраивать для создания различных структур сверхпроводимости в одном и том же образце. А это, в свою очередь, может иметь последствия для квантовых вычислений и не только.

Также ожидается, что этот материал станет важным инструментом для раскрытия секретов нетрадиционных сверхпроводников. Это может быть полезно для новых квантовых технологий. Разработка таких технологий является сложной задачей, отчасти потому, что материалы, из которых они состоят, могут быть трудными для изучения. Новый материал может упростить такое исследование.

«Важной темой нашего исследования является то, что новая физика рождается из новых материалов», — говорит Джозеф Чекельски, автор исследования. «Наш первоначальный отчет в прошлом году был об этом новом материале. Эта новая работа сообщает о новой физике».

Новый квантовый материал

Классическую физику можно использовать для объяснения любых явлений, лежащих в основе нашего мира, — до тех пор, пока вещи не станут чрезвычайно маленькими. Субатомные частицы, такие как электроны и кварки, ведут себя по-разному, и их поведение до сих пор полностью не изучено. Необходима квантовая механика, область, которая пытается объяснить их поведение и результирующие эффекты.

Теперь ученые открыли новый квантовый материал, который проявляет экзотические свойства квантовой механики на макроскопическом уровне. В данном случае рассматриваемый материал является сверхпроводником.

Они объясняют, что сравнительно недавно произошел бум создания специальных сверхпроводников, которые являются двумерными или имеют толщину всего в несколько атомных слоев. Эти новые ультратонкие сверхпроводники представляют интерес отчасти потому, что они должны дать представление о самой сверхпроводимости.

Но есть проблемы. Во-первых, материалы толщиной всего в несколько атомных слоев сами по себе трудно изучать, потому что они очень хрупкие. Может ли быть другой подход к раскрытию их секретов?

Новый материал, созданный учеными, можно рассматривать как сверхпроводящий эквивалент слоеного пирога, где один слой представляет собой ультратонкую пленку сверхпроводящего материала, а следующий — ультратонкий разделительный слой, который защищает его. Укладка этих слоев друг на друга приводит к образованию большого кристалла (это происходит естественным образом, когда составляющие элементы сера, ниобий и барий нагреваются вместе). «И этот макроскопический кристалл, который я могу держать в руке, ведет себя как двумерный сверхпроводник. Это было очень удивительно», — говорит Джозеф Чекельски.

Многие из зондов, которые ученые используют для изучения 2D-сверхпроводников, сложно использовать на атомарно тонких материалах. Поскольку новый материал настолько велик, «теперь у нас есть гораздо больше инструментов [для его характеристики]», — говорит Джозеф Чекельски. Фактически, для работы, представленной в данной статье, ученые использовали метод, требующий больших образцов.

Экзотические сверхпроводники

Сверхпроводник особым образом несет заряд. Вместо одного электрона заряд переносится двумя электронами, связанными вместе в так называемой куперовской паре. Однако не все сверхпроводники одинаковы. Некоторые необычные формы сверхпроводимости могут появиться только тогда, когда куперовские пары могут беспрепятственно перемещаться через материал на относительно большие расстояния. Чем больше расстояние, тем «чище» материал.

Новый материал предельно чист. В результате физики были взволнованы, чтобы увидеть, может ли он проявлять необычное сверхпроводящее состояние, что он и делает. В текущей статье команда показывает, что их новый материал представляет собой сверхпроводник с конечным импульсом при приложении магнитного поля. Этот особый вид сверхпроводимости, который был предложен еще в 1960-х годах.

В то время как сверхпроводимость обычно разрушается умеренными магнитными полями, сверхпроводник с конечным импульсом может сохраняться и дальше, образуя регулярную структуру областей с большим количеством куперовских пар и областей, у которых их нет. Оказывается, таким сверхпроводником можно манипулировать, чтобы сформировать множество необычных паттернов при перемещении куперовских пар между квантово-механическими орбитами, известными как уровни Ландау. А это означает, что теперь ученые должны иметь возможность создавать разные модели сверхпроводимости в одном и том же материале.

«Это поразительный эксперимент, который может продемонстрировать движение куперовских пар между уровнями Ландау в сверхпроводнике, чего раньше никогда не наблюдалось. Честно говоря, я никогда не ожидал увидеть это в кристалле, который вы могли бы держать в руке, так что это очень захватывающе. Чтобы наблюдать этот неуловимый эффект, авторам пришлось провести кропотливые и высокоточные измерения на уникальном двумерном сверхпроводнике, который они ранее обнаружили. Это замечательное достижение не только по своей технической сложности, но и по своей хитрости», — говорит Кайл Шен, профессор физики Корнельского университета.

Кроме того, физики поняли, что в их материале также есть ингредиенты для еще одного экзотического вида сверхпроводимости. Топологическая сверхпроводимость предполагает движение заряда по краям или границам. В этом случае этот заряд может перемещаться по краям каждого внутреннего сверхпроводящего рисунка.

Команда ученых в настоящее время работает над тем, чтобы выяснить, действительно ли их материал способен к топологической сверхпроводимости. Если да, то «можем ли мы объединить оба новых типа сверхпроводимости? Что это может принести?» — спрашивает Джозеф Чекельски.

«Было очень необычно осознать этот новый материал», — заключает он. «По мере того, как мы углублялись в понимание того, что он может делать, нас ждал ряд сюрпризов. Это действительно захватывающе, когда появляются новые вещи, которых мы не ожидаем».